Jak skutečnost, že černé díry jsou velmi efektivní při získávání okolní hmoty vede k některé z nejvíce okázale světelné jevy v celém vesmíru,

článek Andreas Müller

Gravity výsledky v univerzální přitažlivost mezi všechny mas. Jedním z důsledků toho je, narůstání, astrofyzika‘ deka termín pro procesy, ve kterých masivní centrální objekt zvedne („accretes“) hmota z jeho přímém sousedství. Akrece způsobuje, že centrální objekt se stává masivnějším, a tím stále lepší při vyzvedávání hmoty. Jako první krok k pochopení akrece, je užitečné se podívat na obecnější otázku: Jaké jsou možné výsledky, když hmota padá směrem k centrální objekt?

padající hmota

Pokud je centrálním objektem pevné těleso, může hmota spadnout přímo na toto těleso a náhle se zastavit. To by byl příklad “ mechanické bariéry – – povrch centrálního objektu zabraňuje dalšímu pádu hmoty, stejně jako pevný povrch země nám brání v pádu přímo do středu naší domovské planety. Pokud je centrální těleso černou dírou, hmota může spadnout přímo k obzoru černé díry a do černé díry, už nikdy nebude vidět. V obou případech se záležitost rovnou ponoří.

ale to není v žádném případě jediná možnost – ve skutečnosti je to spíše výjimka než pravidlo. Obvykle bude hmota v pohybu ještě předtím, než bude dostatečně blízko, aby centrální objekt vyvinul významný tah. Pokud tento pohyb není zaměřen přesně na centrální objekt – zvláštní případ, a tedy velmi vzácný – bude existovat složka bočního pohybu, a pokud je tato složka dostatečně velká, padající hmota nezasáhne centrální objekt, ale projde kolem něj.

Jeden možný výsledek z takové blízkosti slečna je dráha, na které infalling hmoty prochází v blízkosti centrální objekty dříve, než se vydáte do vesmíru, nikdy se nevrátí (nevázané dráze). Další je uzavřená (vázané) oběžné dráze, na které infalling hmoty i nadále pohybovat kolem centrálního objektu; dobře známé příklady jsou planety v naší sluneční soustavy na jejich oběžných drahách kolem slunce.

Další příklad near-miss orbit, jeden poněkud složitější, lze vidět na obrázku níže – binární hvězdný systém, skládající se z obří hvězdy, které se zobrazí na levé straně, a kompaktní společník hvězda, vpravo:

obří hvězda je tak velká, že pro některé věci ve své vnější obálky, gravitace kompaktní společník je větší, než obří hvězda sama o sobě. Hmota je přitahována k společníkovi. Tato hmota se však nevrhne přímo na doprovodnou hvězdu, protože má dostatečný boční pohyb k vytvoření takzvaného akrečního disku. Tento disk vyrobený z hvězdného materiálu obíhá kolem doprovodné hvězdy.

moment hybnosti a osud hmoty v akrečních discích

skutečnost, že hmota s dostatečným bočním pohybem bude chybět centrálnímu objektu, je způsobena tím, co fyzici nazývají zachováním momentu hybnosti. Když objekt obíhá centrální hmotu pod vlivem gravitace, zákony mechaniky jasně prohlásí: pro obíhající objekt musí součin jeho hmotnosti, jeho vzdálenosti od centrálního tělesa a rychlosti, při které se pohybuje kolem tohoto tělesa-to je podle definice moment hybnosti objektu-v průběhu času konstantní. Obíhající planeta nemůže náhle změnit svůj směr a zamířit přímo do slunce. Za to by jeho moment hybnosti náhle musel skočit na nulu, v rozporu s fyzikálními zákony. (Více o zachování momentu hybnosti najdete v tématu Spotlight co mají společného krasobruslaři, planety a neutronové hvězdy.)

v případě planety vede zachování momentu hybnosti k pravidelné oběžné dráze. V případě binární hvězdy na obrázku výše, má také roli: obří hvězda na obrázku se pomalu otáčí, stejně jako hmota obsažená v jejích vnějších oblastech. V důsledku toho má tato záležitost nenulový moment hybnosti. Tento moment hybnosti je zachován, když částice hmoty padají směrem k kompaktnímu společníkovi, aby vytvořily akreční disk.

situace na akrečním disku je výrazně komplikovanější než u obíhajících planet. Zákony mechaniky dekret, že celkový součet všech částice hmoty‘ úhlové hybnosti nelze měnit v průběhu času, ale to je naprosto přípustné, aby jedna částice k převodu části jeho moment hybnosti na jiné částice. Tomu se říká transport momentu hybnosti. Například tento transport se stává důležitým, jakmile dojde k turbulenci. Turbulence je přírodní jev v dynamických plazmech a plynech (stejně jako v tekutinách). Nejúčinnějším mechanismem pro opětovnou distribuci momentu hybnosti je plazmatická hmota, ve které se různé částice navzájem ovlivňují slabými magnetickými poli. Čistým výsledkem je přerozdělení momentu hybnosti z vnitřních do vnějších oblastí disku. Během tohoto procesu ohledu na to, v nejniternějších oblastech dokáže vrhnout dost setrvačnosti, aby mohli spadnout na (nebo do) centrální objekt samotný. Tímto způsobem se na centrální objekt hromadí stále více hmoty. Bez přenosu momentu hybnosti by tento růst narůstáním nebyl možný.

světelné disky

nejúčinnějšími kolektory hmoty jsou nejkompaktnější objekty ve vesmíru: černé díry. Jsou to dokonalé “ časoprostorové pasti – – nic, co spadne do černé díry, nemůže nikdy uniknout, ani světlo. Proto jsou černé díry skutečně tak černé, jak naznačuje jejich název, a pro astronomy je velmi obtížné je detekovat. Situace se však dramaticky změní, jakmile je černá díra „krmena“ hmotou z jejího okolí-pak mohou černé díry přeměnit své okolí na nejjasnější a nejúžasnější oblasti vesmíru!

existuje několik způsobů, jak černé díry osvětlit své kosmické okolí. Některé vyžadují velmi zvláštní okolnosti, ale jeden je univerzální všude tam, kde hmota spadne do černé díry: produkce tepelného záření. Hmota dopadající na centrální objekt pod vlivem gravitace se zrychluje na vyšší a vyšší rychlosti a získává stále více kinetické energie. Ale jakmile se částice infalling hmoty vrhne do akrečního disku-a možná dříve-pohyb částice je narušen. Kvůli častým kolizím mezi všemi různými částicemi neexistují dobře definované jednoduché oběžné dráhy. Místo toho je celý soubor částic v chaotickém pohybu. Takový chaotický pohyb s víry a nestabilitou-stejně jako v turbulentní tekutině – je samozřejmostí v akrečních discích. Podle definice je neuspořádaný pohyb mikroskopických částic tepelným pohybem a jako takový přímo souvisí s teplotou. Jak se pohyb padajících částic stává chaotickým, hmota v akrečním disku se zahřívá na velmi vysoké teploty. Maximální teploty v akrečním disku kolem supermasivní černé díry stokrát hmotnější než naše slunce se bude pohybovat kolem jednoho milionu Kelvinů a pro disk kolem hvězdné černé díry, to může být až faktorem sto vyšší. Pro srovnání, teplota v jádru našeho Slunce činí asi 15 milionů Kelvinů.

ve fyzice, kdekoli je teplo, existuje tepelné elektromagnetické záření. Každé těleso vydává tepelné záření – pouze těleso s teplotou absolutní nuly by ne, ale taková tělesa nemohou existovat (více informací o tepelném záření najdete v tématu reflektoru teplo, které se setkává s okem). Jak se teplota těla zvyšuje, tak i energie emitovaná ve formě záření. Teplota akrečního disku kolem černé díry je dostatečně vysoká, aby disková hmota emitovala velké množství vysoce energetických rentgenových paprsků.

Hmota padá směrem k centrální objekt, které tvoří akreční disk, představuje neobyčejně efektivní způsob, jak produkovat záření z jiných forem energie (v tomto případě gravitační energie). Je zhruba 30krát účinnější než jaderná fúze, mechanismus přeměny energie zodpovědný za svítivost našeho Slunce a dalších hvězd.

zatím žádný astronom se podařilo pořídit detailní snímky z akrečního toku na centrální černé díry – to by vyžadovalo vyšší rozlišení než stávající dalekohledy může poskytnout. Místo, astrofyzika nepřímé způsoby zjišťování jejich předpoklady o tom, co se děje v blízkosti černé díry: Z počítačových simulací, mohou předvídat spektrech akrečních disků – způsob, jakým radiační energie je rozdělena mezi různé frekvence. Tyto spektra nesou jasný otisk místních podmínek – silné gravitační rudý posuv vypráví o centrální objekt je kompaktnost; systematické Dopplerovské posuny zaznamenat, jak se hmota pohybuje téměř rychlostí světla v okolním disku. Kdykoli pozorování ukazují, že hmota koncentrovaná v nejvnitřnější oblasti je dostatečně vysoká-bez viditelného světelného objektu na tomto konkrétním místě-existuje velká pravděpodobnost, že centrální objekt bude černá díra.

Z tohoto seznamu charakteristické vlastnosti, astronomové mají jasný názor na to, co hledat, a jak se ukázalo, skutečně existují objekty na noční obloze s přesně požadovanými vlastnostmi. Ve skutečnosti je pro řadu kandidátských objektů shoda mezi predikcí a pozorováním docela působivá. Zdá se tedy, že náš vesmír obsahuje černé díry, které hromadí hmotu. (Více informací o dotyčných astronomických objektech najdete v tématu Spotlight Active black holes: Ultra-hot cosmic beacons.)

Další Informace